專利名稱：基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量的方法，具體是一種基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法。用于自動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)中常常需要對(duì)重量、應(yīng)力、應(yīng)變、液位的高度、流體的壓力、流量、真空度等物理量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、記錄和控制。現(xiàn)廣泛應(yīng)用的許多目測(cè)式的指標(biāo)儀器儀表，是人們用肉眼根據(jù)指示的位置和表盤上標(biāo)尺的刻度讀出被測(cè)物理量的測(cè)量值。其優(yōu)點(diǎn)在于直接反映被測(cè)的物理量的變化，已有長(zhǎng)期的制造和使用經(jīng)驗(yàn)，造價(jià)低，免除了使用環(huán)境中電磁場(chǎng)的干擾，可靠性和穩(wěn)定性好。其最大的缺點(diǎn)是沒有測(cè)量信號(hào)的輸出，因而無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量，數(shù)字化顯示和數(shù)字化控制。目前最具發(fā)展前途的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。它可以直接用數(shù)字顯示測(cè)試的結(jié)果，更重要的是可以將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接?，F(xiàn)有的各種數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的共同特點(diǎn)是首先將各種物理量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)(即A/D轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)十分成熟，已經(jīng)商品化和標(biāo)準(zhǔn)化，價(jià)格低廉，通用性強(qiáng)，而且可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)化精度。但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)是必須設(shè)計(jì)制造將不同的場(chǎng)量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電訊號(hào)的傳感器，而傳感元件和傳感器的設(shè)計(jì)和制造比較復(fù)雜，成本較高，傳感元件的性能在使用過程中會(huì)逐漸發(fā)生變化(即所謂“老化”現(xiàn)象)使其輸出值產(chǎn)生漂移，同時(shí)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)容易受到外界電場(chǎng)的干擾，影響測(cè)試精度。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利名稱圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，專利申請(qǐng)?zhí)?4106117.5，該專利是利用攝像機(jī)通過觀察孔攝取標(biāo)志目標(biāo)隨液位變化的圖象，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后來測(cè)定液位高低，并在數(shù)字圖象處理中通過補(bǔ)償及舍取方法來消除抖動(dòng)和形變引起的誤差。但是增加了裝置的復(fù)雜性，利用幾何光學(xué)原理來計(jì)算增加了測(cè)量誤差，另外攝像頭和被測(cè)物體間的距離較遠(yuǎn)，則標(biāo)志物在像素點(diǎn)陣中所占比例很小，讀數(shù)的分辨率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法，使其用人工視覺代替肉眼直接讀取目測(cè)式儀器儀表的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示和數(shù)字化控制的方法，克服基于A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和目測(cè)式儀表的缺點(diǎn)而兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明將數(shù)碼攝像頭與計(jì)算機(jī)連接，攝取目測(cè)式測(cè)量?jī)x表的刻度和測(cè)量標(biāo)志的圖像，應(yīng)用圖像技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，判別指示標(biāo)志(指針或浮子上的標(biāo)志)及儀表上刻度的相對(duì)位置，計(jì)算出被測(cè)物理量的數(shù)據(jù)。攝像頭所攝取的圖像是以像素點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的數(shù)字化形式輸入計(jì)算機(jī)的，只要識(shí)別出指示標(biāo)志線圖像和標(biāo)尺的圖像就可以通過數(shù)值計(jì)算求出測(cè)量值。
攝像頭及儀表的距離越近則刻度標(biāo)尺在像素點(diǎn)陣中所占高度越大，讀數(shù)的分辨率就越高，調(diào)節(jié)攝像頭及儀表的距離，使得標(biāo)尺的圖像盡可能大，使其滿量程圖像盡可能達(dá)到像素點(diǎn)陣高度方向的最大值。這就必須使攝像頭及儀表靠得比較近，由于視角的影響，標(biāo)尺的圖像將產(chǎn)生一定程度的畸變，而且，畸變的程度沿著高度方向呈非線性，為了盡可能減少這種非線性的圖像畸變對(duì)測(cè)量值的讀數(shù)所造成的影響和提高分辨率，本發(fā)明采取根據(jù)圖像自動(dòng)校正讀數(shù)的方法第一步預(yù)先輸入該儀表滿刻度時(shí)的最大量程Vmax，掃描整個(gè)標(biāo)尺記錄下粗分度線的次數(shù)n，在任何兩個(gè)粗分度線之間掃描，記錄下細(xì)分度線次數(shù)m。
第二步按照標(biāo)尺的粗分度線搜索測(cè)量值標(biāo)志線的位置。從標(biāo)尺的底部開始掃描，記存搜索到測(cè)量值標(biāo)志時(shí)所經(jīng)過的粗分度線的次數(shù)，此次數(shù)減1，定義為A值。
第三步按照標(biāo)尺的細(xì)分度線搜索測(cè)量標(biāo)志線的位置，從a位置開始向上掃描記取搜索到測(cè)量標(biāo)志線時(shí)掃過細(xì)分度線的次數(shù)，定義為B值。
第四步用插值法確定測(cè)量值標(biāo)志線在B和B+1分度線之間的位置，定義B至B+1之間的像素點(diǎn)數(shù)為x1，B至標(biāo)志線之間的像素點(diǎn)數(shù)為x2，令c=x2x1,]]>c=x2x1]]>＝0.7)。則可以用下式計(jì)算出測(cè)量值VV=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>
同理，對(duì)于用指針角度表示物理量數(shù)值的各種圓盤式儀表，同樣是利用上面所述的方法來進(jìn)行圖像自動(dòng)校正讀數(shù)。由于此類型儀表每一條刻度線與水平線的角度都不相同，所以在攝像頭搜索標(biāo)志線位置時(shí)，要能對(duì)分度線做準(zhǔn)確的判別，以便記錄測(cè)量標(biāo)志線所經(jīng)過的分度線次數(shù)。因此要分兩種情況考慮測(cè)量值在 范圍內(nèi)，此時(shí)刻度線與水平線的夾角≤90°測(cè)量值在 范圍內(nèi)，此時(shí)刻度線與水平線的夾角之90°編制不同的軟件對(duì)這兩種圖像進(jìn)行處理，分別得出較精確的A，B，C值，由于B與B+1之間距離很短，角度變化不大，可以近似看成平行，C值同樣線性化得到為 所以最終得出測(cè)量值仍為V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1.]]>測(cè)量值V可以用數(shù)字顯示的方法輸出，也可以用V與時(shí)間的關(guān)系曲線的形式輸出，并根據(jù)曲線的斜率隨時(shí)間的變化計(jì)算V的變化速率。而且測(cè)量值作為一個(gè)數(shù)字量還可以被計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中其他模塊(例如顯示模塊，自動(dòng)控制模塊)等直接調(diào)用。
本發(fā)明具有設(shè)備成本低，完全避免環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，克服了目測(cè)式儀表無信號(hào)輸出的缺點(diǎn)，直接實(shí)現(xiàn)各種物理量的數(shù)字化測(cè)量。在提高分辨率的同時(shí)可消除圖像畸變對(duì)測(cè)量讀數(shù)的影響，因而本發(fā)明具有突出的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步和明顯的優(yōu)點(diǎn)。


圖1本發(fā)明方法標(biāo)志線粗分度線讀數(shù)示意2本發(fā)明方法標(biāo)志線細(xì)分度線讀數(shù)示意3本發(fā)明方法標(biāo)志線最終位置讀數(shù)示意圖具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖以及本發(fā)明的內(nèi)容提供實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的理解。
如圖1-3所示，以下為實(shí)施例的具體內(nèi)容，實(shí)施例中的A、B、C分別對(duì)應(yīng)于圖1、2、3中的A、B、C
實(shí)施例1浮子流量計(jì)，應(yīng)用在滲碳/氮爐中氣體的流量測(cè)量，有很明顯的刻度標(biāo)志線，指示標(biāo)志浮子可以被攝像頭輕松捕捉到，此流量計(jì)最大量程數(shù)值為1.2，粗分度線個(gè)數(shù)n＝7，細(xì)分度線個(gè)數(shù)m＝3，當(dāng)浮子停留在某一位置并穩(wěn)定后，按照粗分度線紀(jì)錄到浮子所經(jīng)過的次數(shù)減1為A＝2，從A開始記錄細(xì)分度線所經(jīng)過的次數(shù)B＝2，用插值法確定浮子在B和B+1分度線之間的位置C＝0.6，根據(jù)V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>最后得出測(cè)量結(jié)果V＝0.53，直接以數(shù)值形式輸出此結(jié)果。
實(shí)施例2壓力表，測(cè)量冷卻速度試驗(yàn)平臺(tái)上的圓盤式儀表，該壓力表最大量程為0.6，粗分度線個(gè)數(shù)n＝7，細(xì)分度線個(gè)數(shù)m＝4，當(dāng)指針穩(wěn)定停留在 范圍內(nèi)的某一點(diǎn)時(shí)，按照粗分度線紀(jì)錄到指針?biāo)?jīng)過的次數(shù)減1記為A＝4，從A開始記錄細(xì)分度線所經(jīng)過的次數(shù)B＝3，用插值法確定指針在B和B+1分度線之間的位置C＝0.4，根據(jù)V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>計(jì)算出測(cè)量結(jié)果V＝0.468，該結(jié)果以數(shù)值形式輸出。
實(shí)施例3壓力表，真空爐外的圓盤式測(cè)量裝置，該壓力表最大量程為1.6，粗分度線個(gè)數(shù)n＝5，細(xì)分度線個(gè)數(shù)m＝7，當(dāng)測(cè)量時(shí)指針穩(wěn)定在 范圍內(nèi)某一點(diǎn)時(shí)，按照粗分度線紀(jì)錄到指針?biāo)?jīng)過的次數(shù)記為A＝1，從A開始記錄細(xì)分度線所經(jīng)過的次數(shù)B＝4，用插值法確定指針在B和B+1分度線之間的位置C＝0.2，根據(jù)V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>計(jì)算出測(cè)量結(jié)果V＝0.61，以數(shù)值形式輸出。
應(yīng)用本發(fā)明方法只需要一個(gè)數(shù)碼攝像頭和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，攝像頭靠近儀表，完全避免了環(huán)境電磁場(chǎng)的干擾，并根據(jù)V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>公式消除圖像畸變，克服了目測(cè)式儀表無信號(hào)輸出的缺點(diǎn)，直接實(shí)現(xiàn)各種物理量的數(shù)字化測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法，其特征是，將數(shù)碼攝像頭與計(jì)算機(jī)連接，攝取目測(cè)式測(cè)量?jī)x表的刻度和測(cè)量標(biāo)志的圖像，應(yīng)用圖像技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，判別指示標(biāo)志即指針或浮子上的標(biāo)志及儀表上刻度的相對(duì)位置，計(jì)算出被測(cè)物理量的數(shù)據(jù)，攝像頭所攝取的圖像是以像素點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的數(shù)字化形式輸入計(jì)算機(jī)的，只要識(shí)別出指示標(biāo)志線圖像和標(biāo)尺的圖像，通過數(shù)值計(jì)算就能求出測(cè)量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法，其特征是，數(shù)碼攝像頭及目測(cè)式測(cè)量?jī)x表的距離越近則刻度標(biāo)尺在像素點(diǎn)陣中所占高度越大，讀數(shù)的分辨率就越高，調(diào)節(jié)攝像頭及儀表的距離，使標(biāo)尺的圖像盡可能大，使其滿量程圖像盡可能達(dá)到像素點(diǎn)陣高度方向的最大值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法，其特征是，當(dāng)數(shù)碼攝像頭及目測(cè)式測(cè)量?jī)x表的距離很接近時(shí)，由于視角的影響，標(biāo)尺的圖像將產(chǎn)生畸變，而且，畸變的程度沿著高度方向呈非線性，為了盡可能減少這種非線性的圖像畸變對(duì)測(cè)量值的讀數(shù)所造成的影響和提高分辨率，采取根據(jù)圖像自動(dòng)校正讀數(shù)的方法，即預(yù)先輸入該儀表滿刻度時(shí)的最大量程Vmax，掃描整個(gè)標(biāo)尺記錄下粗分度線的次數(shù)n，在任何兩個(gè)粗分度線之間掃描，記錄下細(xì)分度線次數(shù)m，計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索圖像中測(cè)量標(biāo)志的位置，從刻度開始向滿刻度方向掃描，記取搜索到標(biāo)志之前的粗分度線的數(shù)目減1記為A，繼而從A開始掃描，記取達(dá)到標(biāo)志之前的細(xì)分度線的數(shù)目B，然后讀出B至B+1分度線之間的像素點(diǎn)數(shù)x1和B至標(biāo)志線之間像素點(diǎn)的數(shù)目x2，令c=x2x1]]>按照V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1]]>求得測(cè)量值V的數(shù)值，用數(shù)字顯示最終的測(cè)量結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，其特征是，對(duì)于用指針角度表示物理量數(shù)值的圓盤式儀表在應(yīng)用圖像自動(dòng)校正讀數(shù)方法時(shí)，分兩種情況(1)測(cè)量值在 范圍內(nèi)，此時(shí)刻度線與水平線的夾角≤90°(2)測(cè)量值在12Vmax-Vmax]]>范圍內(nèi)，此時(shí)刻度線與水平線的夾角≥90°編制軟件對(duì)這兩種圖像進(jìn)行處理，在攝像頭搜索時(shí)，對(duì)分度線和標(biāo)志線位置做準(zhǔn)確的判別，分別得出較精確的A，B，C值，由于B與B+1之間距離很短，近似看成平行，C值同樣線性化得到為 所以最終得出測(cè)量值仍為V=[A+(B+C)1m+1]Vmaxn-1.]]>
全文摘要
一種自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的基于圖形的物理量數(shù)字化測(cè)量方法，將數(shù)碼攝像頭與計(jì)算機(jī)連接，攝取目測(cè)式測(cè)量?jī)x表的刻度和測(cè)量標(biāo)志的圖像，應(yīng)用圖像技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，判別指示標(biāo)志即指針或浮子上的標(biāo)志及儀表上刻度的相對(duì)位置，計(jì)算出被測(cè)物理量的數(shù)據(jù)，攝像頭所攝取的圖像是以像素點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的數(shù)字化形式輸入計(jì)算機(jī)的，只要識(shí)別出指示標(biāo)志線圖像和標(biāo)尺的圖像，就能通過數(shù)值計(jì)算求出測(cè)量值。本發(fā)明具有設(shè)備成本低，完全避免環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，克服了目測(cè)式儀表無信號(hào)輸出的缺點(diǎn)，直接實(shí)現(xiàn)各種物理量的數(shù)字化測(cè)量。在提高分辨率的同時(shí)可消除圖像畸變對(duì)測(cè)量讀數(shù)的影響，并可以用于非線性分度的儀表等一系列優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1614358SQ20041008454
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者潘健生, 王婧, 張偉民, 劉占倉(cāng), 胡明娟 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)